Face aux turbulences auxquelles le marché du polysilicium fait face, faisons un focus sur le polysilicium produit par process FBR qui nous semble être aujourd’hui la solution la plus adaptée pour l’approvisionnement du marché français en modules bas carbone.

La fabrication du polysilicium peut être réalisée par 3 méthodes de purification principales : Le process Siemens qui est le plus largement répandu couvrant plus de 95% de la production mondiale, le process FBR (capacité 15 000 MT en 2019) et la méthode directe (Elkem) (capacité 3000 MT).

check Méthodes de purification du polysilicium par process FBR :

Le process FBR c’est quoi ?

Le FBR ou Fluidized Bed Reactor process.

Comment ça marche ?

Des « graines » de silicium sont insérées dans une chambre remplie d’un gaz silane chaud de haute pureté qui la traverse.

Le flux de gaz « fluidifie » les graines de silicium qui se liquéfient au fur et à mesure que le gaz silane se décompose et dépose des couches de silicium sur ces dernières : réaction catalytique.

Les « graines » grossissent et s’alourdissent de plus en plus jusqu’à sortir de la chambre quand elles ont atteint la taille suffisante.

Historique :

  • 1970: Texas Instruments tente de produire des granules de silicium polycristallin à partir de TCS en utilisant une technique FBR.
  • 1970-1985: Le programme JPL et UCC FBR explore les défis posés par l’autre caractéristique de la décomposition thermique du silane (arrêtée au milieu des années 1980).
  • Milieu des années 80: Ethyl Corp (maintenant SunEdison) réussit à commercialiser un FBR à base de silane dans son usine de Pasadena, au Texas.
  • 1990: L’unité silane / FBR d’Ethyl est vendue à Albemarle puis reprise par MEMC.
  • 1992: UCC vend son activité silicium à KEM qui rebaptise l’activité silane – silicium ASiMI. ASiMI relance le programme FBR en 1996 avec le financement des nouveaux propriétaires.
  • 2002: REC achète 50% de l’installation de Moses Lake à ASiMI et change l’orientation du FBR en silicium «solaire». Le FBR devient alors un métal (FBR-A).
  • 2009: REC commercialise le polysilicium FBR-A.
  • 2010: MEMC / SunEdison et Samsung concluent un protocole d’entente pour former une coentreprise de silicium polycristallin en Corée du Sud cellulaire SMP.
  • 2012: GCL annonce avoir terminé avec succès des essais de production de gaz de silane de haute pureté. Il s’agit de la première étape vers la production de polysilicium utilisant la méthode FBR.
  • 2014: REC Silicon annonce une nouvelle JV avec Shaanxi Tian Hong pour construire son deuxième projet FBR.
  • 2017: GCL-Poly rachète à SunEdison ses actifs de production de silicium FBR.

Les caractéristiques et avantages du process FBR:

  • Process: Le process de production de polysilicium FBR est un process linéaire (continu) contrairement à la méthode Siemens qui implique des batchs de production (mise à l’arrêt et redémarrage des réacteurs).
  • Matières premières: Silane
  • Énergie: Faible consommation d’énergie. Le process FBR ne consomme en moyenne que 12 kWh par kg produit contre 60kWh/kg pour le polysilicium Siemens.
  • Coût de production : Les optimisations du process de fabrication et son déploiement à plus large échelle permettent désormais d’avoisiner les coûts de production du Siemens*. L’amélioration continuera avec l’extension des capacités de production prévues en 2020 (GCL prévoit l’extension de sa capacité FBR à 10000 MT fin 2020 et 30000 MT fin 2021).

*8.5$/kg = coût estimé GCL FBR – Source BloombergNEF 2019

 

Défis et challenges

Pour garantir la compétitivité de ce process il a fallu :

  • Passer d’une production pilote à industrielle. Ce qui représentait un défi de taille car la dynamique des fluides change à plus grande échelle.
  • Résoudre les problèmes de contamination métallique des parois des réacteurs qui impactaient la qualité du polysilicium obtenu.
  • Réduire la quantité de poussière de polysilicium produite car pas ou peu utilisable par les producteurs de lingot.
  • Produire un polysilicium d’une pureté suffisante pour les lingots cast mono et monocristallins.

Les challenges : Augmenter simultanément les capacités et la pureté du matériau obtenu.

check Les autres méthodes de purification du polysilicium:

Le process Siemens

  • Process: Processus de production par lots ou boucle. La méthode de récupération du silicium obligeant à éteindre les réacteurs et à les rallumer entre chaque batch.
  • Matières premières: Trichlorosilane et hydrogène
  • Énergie: Processus de dépôt de silicium très consommateur dans les réacteurs (CVD). Consommation de 60kWh/kg. Son empreinte carbone est donc plus forte.
  • Coût de production : Entre 7 et 8$/kg.

 

Process par voie métallurgique directe:

Cette méthode alternative développée par ELKEM (aujourd’hui REC Solar Norway) a été fortement plébiscitée par les appels d’offres français. Elle bénéficie d’un faible impact carbone lié à sa modeste consommation électrique et à sa production norvégienne. Cependant sa capacité limitée et son coût de revient élevé font probablement partie des causes de l’interruption de la production en Juillet 2019.

Nous avions déjà évoqué ce process et ses limites pour le marché des appels d’offre CRE dans notre article: IMPACT CARBONE & AO CRE – Supply bas-carbone : la question norvégienne.

 

check Le marché du polysilicium, un marché soumis aux turbulences:

La guerre commerciale qui s’annonçait dans la production de polysilicium à fin 2017 (“Rec silicon sees 38 % sales increase in q3 “) s’est concrétisée:

Les industriels chinois ont souvent relocalisé leurs capacités de production dans l’ouest du pays offrant un coût de l’électricité plus compétitif. Ainsi, le prix de revient du polysilicium chinois a pu passer de 13$/kg en 2017 à un coût moyen de production en dessous de 8,7$/kg en 2019 (cf tableau fig4 ci dessus).

Face à la pression des coûts, de nombreux fabricants ont successivement interrompu leur production:

En effet, tout comme REC Solar Norvège (process Elkem) qui avait interrompu sa production juillet 2019, REC Silicon à Moses Lake a suivi à l’automne (“Rec silicon prepared to power down the rest of its operation”). Quant à OCI, ils annonçaient la suspension de leur production au 20 Février dernier (“OCI suspends polysilicon production at Gunsan plant” voir aussi: “Is this the end for Korean polysilicon?”).

” La dynamique des AO CRE nous motive à constamment chercher les produits les plus performants, innovants et les moins impactants.

C’est pourquoi nous investissons depuis 3 ans sur la technologie pleine d’avenir qu’est le process FBR.

Elle présente le triple avantage de la compétitivité, du faible impact carbone et de la pureté du matériau obtenu et ouvre la porte à des débouchés industriels notamment dans l’amélioration du process lingot.”

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